BOB半岛:基于粘土矿物的湿度检测微型悬臂传感器的制备有什么特

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　　本文制备了基于蒙脱土、高岭土和微悬臂梁上涂覆的复合薄膜的新型湿度传感器，通过微悬臂梁（MC）在室温下的偏转来测量相对湿度（RH）值。在工作湿度（10-80%RH）范围内研究了湿度传感特性，例如响应和恢复、灵敏度、重复性、湿度滞后和长期稳定性。

　　在10%RH至80%RH的紧密湿度范围内的湿度响应表明，蒙脱石、高岭石和蒙脱石/高岭石混合分散剂(1:1)的吸水率呈线性增加，作为RH的函数，与湿度变化和偏转估计分别为0.994、0.991和0.946。

　　蒙脱石的灵敏度优于高岭石，混合粘土矿物膜的响应介于两者之间。这项研究为构建基于粘土矿物的可在室温下运行的高性能MC湿度传感器提供了一种可行且有效的方法。

　　随着当前仪器的性能要求不断变化，许多领域对湿度传感器的需求越来越大，具体取决于其检测精度、检测范围、应用条件和尺寸范围。最流行的湿度传感器类型是热式、电阻式和电容式。所有三种类型的湿度传感器都可以跟踪微小的环境变化并确定空气的相对湿度。随着各种湿度传感器集成度的增加，传感器系统的小型化成为必然。

　　在过去的几年里，基于微机电系统（MEMS）的传感器在湿度检测中的使用大幅增加，因为小型化传感器相对于传统传感器具有制造成本低、灵敏度高、响应快、功耗低等优点。在众多MEMS机械平台中，微悬臂梁因其设计简单、响应恢复速度快、易于制造、成本低、灵敏度较高而成为最受欢迎的平台。等。此外，设计更好的湿度传感器需要仔细考虑湿度传感材料。

　　功能材料，如碳化硅、二硫化钨、二氧化硅、氧化锌、硫化镉、五氧化二钒和碳纳米管，常用作湿度传感材料。一些合成或复合功能材料价格昂贵、不可生物降解，或者产生对环境有害的废物。相比之下，绿色无污染的湿度传感材料由于其生态友好的特点而越来越受欢迎。粘土矿物常见于自然环境中，由于其良好的性能而被用于许多工业应用，例如膨胀性，吸附性，润湿性和催化作用。

　　粘土矿物的多孔结构为水分吸附提供了空间；因此，对粘土矿物和掺假矿物的吸水性进行了研究。作为常见的粘土矿物，蒙脱石和高岭石都是天然存在的，具有很强的亲水特性和吸水性。与其他粘土矿物相比，蒙脱石的吸水能力明显更高。此外，高岭石比伊利石等其他粘土含量更高。蒙脱石和高岭石作为涂覆在微悬臂梁（MC）阵列上的天然湿度传感材料，有望产生高性能的集成湿度传感器。

　　在此，基于粘土矿物薄膜作为湿度传感材料，开发了新型微悬臂梁湿度传感器。粘土矿物涂层吸收水分子导致悬臂产生反映周围空气相对湿度的偏移。对蒙脱土、高岭石及其混合物（1:1）涂覆的传感器在稳定性、重复性、湿滞后和相关湿度响应灵敏度方面的性能进行了彻底检查。实验结果揭示了相关的低成本、环保且多功能的湿度传感器，具有良好的测量再现性。

　　高岭石和蒙脱石购自中国南京先锋纳米公司。微悬臂梁（长500um，宽90um，厚5um）购自德国Micromotive。为了便于表述，“M”和“K”分别代表蒙脱石和高岭石。字母“MK”表示两种矿物的1:1混合物。

　　湿度传感器的制备，该方法包括将100mg蒙脱石粉末和100mg高岭石粉末分散在4mL去离子水中以形成浓度为25mg/mL的蒙脱石溶液和高岭石溶液。然后，将50mg蒙脱石粉末和50mg高岭石粉末通过超声处理6小时分散在4mL水中，得到均匀的蒙脱石/高岭石复合粘土矿物分散体（25mg/mL），比例为1:1蒙脱石与高岭石的质量比。

　　取微量制备好的蒙脱石、高岭石和1:1混合粘土矿物分散体，本实验采用简单的涂覆方法，将膜厚约1μm的粘土矿物层涂在传感器上，利用液滴表面张力的显微镜。光杆MC相对湿度传感器实验装置由三部分组成：

　　(i)湿温监测、(ii)湿度调节和(iii)传感器测试。将待检测的MC传感器放置在相对封闭的腔室内，气体管道通过腔室进气口连接，并在出气口放置商用温湿度计，用于校准腔室内的相对湿度和温度。

　　当激光照射到MC尖端时，光线会反射到位置敏感器件(PSD)上。由于改性粘土膜在不同的相对湿度水平下会发生膨胀或收缩反应，从而导致MC偏转，从而导致PSD上反射光束的光斑位置发生变化。长度（l），可以确定MC自由端的激光到PSD的光路长度（ L）。

　　将准备好的传感器放入控湿室后，通过控制干燥氮气（N2 ）和N 2的比例来调节室的湿度流经去离子（DI）水，以10%RH为参考湿度水平，并从10%RH至80%RH的相对湿度范围内依次选择5个测试湿度点（10%RH、27%RH、45%RH、63%RH和80%RH）。实验在室温（25°C）下进行。

　　使用温湿度记录仪测量温度范围（-40–80°C）、相对湿度范围（0–100%RH）和误差（3%RH）。然后将室内的湿度水平升高至所需水平。达到湿度点并且传感器稳定后，记录该湿度点的传感器偏转。

　　蒙脱石膜的SEM图像所示，多孔蒙脱石膜结构由多层堆叠组成，有利于水分子的吸附。弯曲的孔壁增加了蒙脱石的比表面积。高岭土孔隙看起来比较发育，孔隙比高，孔隙结构不规则，有利于水分子吸附。同时，高岭石薄膜主要呈现六方形状，在孔道和片层中混有蒙脱石。与高岭石膜相比，蒙脱石膜的表面形貌尽管通过与高岭石混合得到了改善，但看起来更加不规则。高岭石更光滑的膜表面与其较低的比表面积非常吻合。

　　对于蒙脱土，3692cm-1和3617cm -1处的吸收峰分别是金属氢氧化物配位羟基-OH和层间水羟基-OH伸缩振动，3441cm -1处的吸收峰是由于Si-OH、Al-OH和分子内氢键，2364cm -1处的吸收峰是吸附在空气中的CO 2分子的反对称伸缩振动。1100~1000cm-1处的吸收峰为Si-O的伸缩振动，918cm -1处的吸收峰为Si-O的伸缩振动。

　　蒙脱石是一种2:1的铝硅酸盐矿物，由两片二氧化硅-氧片和一片氧化铝片组合成晶片（层）单元组成；然后将它们堆叠在一起。每层的两面（硅氧片上）都有一个氧离子基团，因此堆叠时各层之间不能形成氢键，而是通过“氧桥”连接，这种氧桥很弱且易碎，且晶粒比高岭石小。

　　高价Al 3+常被低价Mg 2+和Fe 2+替代，Si 4+常被Al 3+替代，导致蒙脱石带有过量的负电荷，且结构中层与层之间的弱联系使得蒙脱石具有很强的吸湿性。这就是为什么它在3600cm -1附近的峰值比3400cm -1附近的峰值更强。高岭石（一种1:1型铝硅酸盐矿物）是一种层状晶格结构，由硅氧片和水铝片组成，通过共享硅氧片顶部的氧原子连接。

　　晶片之间通过氢键的形成而牢固地结合在一起，使得水分子和其他离子难以进入层间并形成较大的颗粒，使其吸湿性、结合能力和延展性低于蒙脱土。这就是为什么高岭石在其红外光谱中在3400cm -1附近具有较大的峰。

　　在三种MC传感器中，MC-M传感器表现出最高的水分吸附能力。蒙脱石对水的吸附能力比高岭石更强，混合粘土的吸附能力受蒙脱石影响最大。测量过程中湿度以水蒸气的形式存在，利用吸附理论结合传感器的湿度敏感机理，分析了粘土膜MC湿度传感器的湿度敏感机理，其吸附过程主要是物理吸附。粘土中的氢键使水分子进入晶体的层间，从而使粘土膜的体积膨胀。

　　高岭石的层状结构由交替的硅氧四面体和氢氧根离子组成。这种结构赋予高岭石较大的比表面积和孔隙结构。由于氢键与水分子接触，水分子更容易吸附在高岭石表面。当环境湿度增加时，水分子能够进入并被吸附到高岭石的孔隙中，从而能够储存大量的水分子。

　　水分子的吸附使高岭石层状结构的间距变小，层间相互作用增强，使高岭石结构收缩或变形，从而使高岭石膜的体积发生变化。与高岭石相比，蒙脱石的层状结构具有较大的空隙和孔隙，这些空隙可以容纳更多的水分子。此外，蒙脱石具有很强的离子交换能力。

　　当水分子进入蒙脱石的层间空隙时，层状结构中的部分离子与蒙脱石中的离子发生交换，使蒙脱石层间间距增大，导致膨胀。在10%RH到80%RH的相对湿度范围内，蒙脱石湿度传感器对湿度的敏感度比高岭土湿度传感器高约27倍。然而，随着湿度的增加，MC-M传感器的线%RH之间略有变化，这可能是由于蒙脱石中存在对环境水分子的活性吸附位点所致。

　　换句话说，高湿度导致蒙脱石层之间的阳离子浓度升高，从而使水分子在渗透压的影响下进入结晶层。这形成了受双电层排斥影响的扩散双电层并增加了结晶层之间的间距。

　　然后，MC活性点处的水分子数量突然增加，导致其表面蒙脱土膜质量增加，作用在其上的应力增加，从而将MC上方和下方的应力转移为湿度上升的函数。这可能会导致蒙脱石湿度传感器在63%RH至80%RH湿度条件下的线性度发生偏差。

　　总体而言，与MC-K传感器相比，MC-M表现出卓越的灵敏度和线性相关性。MC-M、MC-MK和MC-K传感器在不同湿度水平下的灵敏度比较见表1。MC-MK传感器平衡的灵敏度和线性度使其更适合实际应用。

　　湿度滞后定义为吸附和解吸响应曲线之间的最大差值与相对湿度的比值。对于水分吸附，传感器首先经历从10%RH到80%RH变化的相对湿度环境，以17%RH的湿度间隔每5分钟采集一个测试点，以获得传感器MC输出的偏转和吸附曲线%RH，并绘制代表解吸的测试曲线a显示了MC-M、MC-K和MC-MK湿度传感器的动态磁滞曲线b–d显示各自的湿度滞后曲线。传感器的吸湿和除湿曲线并不完美匹配。计算得出MC-M、MC-K和MC-MK传感器各自的湿度滞后值分别为5.83%RH、0.31%RH和3.98%RH。

　　因此，MC-M传感器的湿度滞后比MC-MK和MC-K传感器更长。这可以通过高岭石的不可膨胀矿物特性来解释，这导致吸附过程由表面水合机制控制，而晶体结构不会膨胀。

　　为了评估粘土矿物膜的稳定性，通过改变湿度（10%、27%、45%、63%和80%）将MC-M、MC-K和MC-MK传感器暴露在五种湿度条件下。）在一定天数（分别为0、5、10、20和30天）后的五个时间点对腔室进行测量，然后测量传感器偏转。

　　蒙脱土湿度传感器的灵敏度高于高岭土湿度传感器，可达140.9nm/%RH。然而，MC-M在63%RH至80%RH的湿度范围内线性较差。高岭石湿度传感器表现出最低的湿度滞后，为0.31%，其响应速度是蒙脱石湿度传感器的两倍，恢复速度是蒙脱土湿度传感器的五倍。

　　3.阿肖克，《阿肯色州对基于MEMS的设备的阶梯梯形微悬臂梁进行分析》，2018。4.弗里纳克，《低温钠蒙脱石吸水的红外特征》，2005。